Analysis of impurities in high purity niobium: surface vs bulk

Analyse des impuretés dans le niobium ultra pur : analyses de surface

CEA, DSM/DAPNIA/Service des Accélérateurs, de la Cryogénie et du Magnétisme, CE-Saclay, Gif-sur-Yvette, France

Abstract

Surface and interface segregation is a well known phenomenon occurring in ultra pure metals. So when one has to deal with properties more specifically correlated with surface or interface properties, bulk analysis is no more relevant. Surface analysis can provide more relevant data and give some hints about other interfaces (grain boundary) behavior. In this paper, some examples will be given of analysis conducted on niobium dedicated to the fabrication of RF superconducting cavities. In this case, only a small portion of the surface (50-100 nm) is involved in the dissipation phenomena. But although we use high purity material, one shall see that the surface includes a lot of contaminants that might influence the superconducting properties of the material. Preferential diffusion/segregation at grain boundary or near the surface are phenomena leading to large inhomogeneity inside the material, which cannot be considered as ultra pure in very localized places, even if a global analysis gives “good” results.

Résumé

Les ségrégations de surfaces ou d’interfaces sont des phénomènes bien connus dans les métaux ultra purs. Aussi les analyses globales (en « massif ») ne reflètent pas correctement les propriétés du matériau qui sont directement liées aux surfaces ou aux interfaces. Les analyses de surface délivrent des information beaucoup plus justes et donnent des indications pour les autres interfaces (joints de grains, interfaces entre deux phases...). Dans cet article nous donnons des exemples d’analyses faites sur du niobium destiné à la fabrication des cavités radiofréquences supraconductrices. Dans ce cas seule une petite portion de la surface (50-100 nm) est à l’origine des phénomènes de dissipation. Bien que nous utilisions un matériau de haute pureté, nous verrons que la surface renferme un certain nombre de contaminants qui pourraient influencer directement les propriétés supraconductrices. Les diffusions ou les ségrégations préférentielles aux joints de grains peuvent donner lieu à des inhomogénéités dans le matériau, qui dans certaines régions localisées ne peut plus être considéré comme « ultra pur » même si une analyse globale donne de « bons » résultats.